WO2022064549A1 - 半導体装置の製造方法、記録媒体及び基板処理装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法、記録媒体及び基板処理装置 Download PDF

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幸永 栗林
有人 小川
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株式会社Kokusai Electric
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Definitions

  • the present disclosure relates to a method for manufacturing a semiconductor device, a recording medium, and a substrate processing device.
  • a low resistance tungsten (W) film is used as a word line of a NAND flash memory or DRAM having a three-dimensional structure.
  • a titanium nitride (TiN) film may be used as a barrier film between the W film and the insulating film (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • a molybdenum (Mo) film containing molybdenum (Mo) is used to reduce the thickness and resistance.
  • the Mo film has a large surface roughness (surface roughness), and it is an issue to improve the embedding performance of the Mo film. Further, when the Mo film is formed on the underlying metal film, the metal element may diffuse into the film from the underlying metal film.
  • the object of the present disclosure is to provide a technique capable of suppressing diffusion from a substrate while improving the surface roughness of a molybdenum-containing film.
  • A The process of accommodating the substrate in the processing container and (B) A step of heating the substrate to 445 ° C. or higher and 505 ° C. or lower, and (C) A step of supplying molybdenum-containing gas to the substrate and (D) A step of supplying a reducing gas to the substrate.
  • E A technique for forming a molybdenum-containing film on the substrate is provided by performing (c) and (d) one or more times after (b).
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 5A is a diagram showing a cross section of the substrate before forming the Mo-containing film on the substrate
  • FIG. 5B shows a cross section of the substrate after forming the Mo-containing film on the substrate. It is a figure. It is a figure which showed the relationship between the average roughness (Ra) of the Mo-containing film formed in each of Samples 1 to 5, and the temperature of a substrate.
  • FIGS. 1 to 5 explanation will be given with reference to FIGS. 1 to 5. It should be noted that the drawings used in the following description are all schematic, and the dimensional relationship of each element, the ratio of each element, etc. shown in the drawings do not always match the actual ones. Further, even between the plurality of drawings, the relationship of the dimensions of each element, the ratio of each element, and the like do not always match.
  • the substrate processing device 10 includes a processing furnace 202 provided with a heater 207 as a heating means (heating mechanism, heating system).
  • the heater 207 has a cylindrical shape and is vertically installed by being supported by a heater base (not shown) as a holding plate.
  • an outer tube 203 constituting a reaction vessel (processing vessel) is arranged concentrically with the heater 207.
  • the outer tube 203 is made of a heat-resistant material such as quartz (SiO 2 ) or silicon carbide (SiC), and is formed in a cylindrical shape with the upper end closed and the lower end open.
  • a manifold (inlet flange) 209 is arranged concentrically with the outer tube 203.
  • the manifold 209 is made of a metal such as stainless steel (SUS), and is formed in a cylindrical shape with open upper and lower ends.
  • An O-ring 220a as a sealing member is provided between the upper end portion of the manifold 209 and the outer tube 203.
  • an inner tube 204 constituting the reaction vessel is arranged inside the outer tube 203.
  • the inner tube 204 is made of a heat-resistant material such as quartz (SiO 2 ) or silicon carbide (SiC), and is formed in a cylindrical shape with the upper end closed and the lower end open.
  • a processing container (reaction container) is mainly composed of an outer tube 203, an inner tube 204, and a manifold 209.
  • a processing chamber 201 is formed in the hollow portion of the processing container (inside the inner tube 204).
  • the gas supply pipes 310 and 320 are provided with mass flow controllers (MFCs) 312 and 322, which are flow control units (flow control units), in order from the upstream side. Further, the gas supply pipes 310 and 320 are provided with valves 314 and 324, which are on-off valves, respectively. Gas supply pipes 510 and 520 for supplying the inert gas are connected to the downstream sides of the valves 314 and 324 of the gas supply pipes 310 and 320, respectively. The gas supply pipes 510 and 520 are provided with MFC 512, 522, which is a flow rate controller (flow control unit), and valves 514, 524, which are on-off valves, in this order from the upstream side.
  • MFCs mass flow controllers
  • Nozzles 410 and 420 are connected and connected to the tips of the gas supply pipes 310 and 320, respectively.
  • the nozzles 410 and 420 are configured as L-shaped nozzles, and their horizontal portions are provided so as to penetrate the side wall of the manifold 209 and the inner tube 204.
  • the vertical portions of the nozzles 410 and 420 are provided inside the channel-shaped (groove-shaped) spare chamber 201a formed so as to project outward in the radial direction of the inner tube 204 and extend in the vertical direction.
  • In the reserve chamber 201a are provided upward along the inner wall of the inner tube 204 (upward in the arrangement direction of the wafer 200).
  • a plurality of gas supply holes 410a and 420a of the nozzles 410 and 420 are provided at heights from the lower part to the upper part of the boat 217, which will be described later. Therefore, the processing gas supplied into the processing chamber 201 from the gas supply holes 410a and 420a of the nozzles 410 and 420 is supplied to the entire area of the wafer 200 accommodated from the lower part to the upper part of the boat 217.
  • the nozzles 410 and 420 may be provided so as to extend from the lower region to the upper region of the processing chamber 201, but are preferably provided so as to extend to the vicinity of the ceiling of the boat 217.
  • the reducing gas as the processing gas is supplied into the processing chamber 201 via the MFC 322, the valve 324, and the nozzle 420.
  • nitrogen (N 2 ) gas is supplied as an inert gas into the processing chamber 201 via the MFC 512, 522, valves 514, 524, and nozzles 410, 420, respectively.
  • N 2 gas is used as the inert gas.
  • the inert gas for example, argon (Ar) gas, helium (He) gas, neon (Ne) gas, xenone, in addition to N 2 gas, will be described.
  • a rare gas such as (Xe) gas may be used.
  • the processing gas supply system is mainly composed of gas supply pipes 310, 320, MFC 312, 322, valves 314, 324, and nozzles 410, 420, but only the nozzles 410, 420 may be considered as the processing gas supply system.
  • the treated gas supply system may be simply referred to as a gas supply system.
  • the Mo-containing gas supply system is mainly composed of the gas supply pipe 310, the MFC 312, and the valve 314, but even if the nozzle 410 is included in the Mo-containing gas supply system, it may be considered. good.
  • the reducing gas supply system is mainly composed of the gas supply pipe 320, the MFC 322, and the valve 324, but the nozzle 420 may be included in the reducing gas supply system. .. Further, the inert gas supply system is mainly composed of gas supply pipes 510, 520, MFC 512, 522, and valves 514, 524.
  • nozzles 410 and 420 arranged in a spare chamber 201a in an annular vertically long space defined by an inner wall of an inner tube 204 and an end portion of a plurality of wafers 200 are provided. Gas is transported via. Then, gas is ejected into the inner tube 204 from a plurality of gas supply holes 410a and 420a provided at positions facing the wafers of the nozzles 410 and 420. More specifically, the gas supply hole 410a of the nozzle 410 and the gas supply hole 420a of the nozzle 420 eject the processing gas or the like in the direction parallel to the surface of the wafer 200.
  • the exhaust holes 204a are provided at positions facing the plurality of wafers 200, and the gas supplied from the gas supply holes 410a and 420a to the vicinity of the wafer 200 in the processing chamber 201 flows in the horizontal direction. , Flows into the exhaust passage 206 through the exhaust hole 204a.
  • the exhaust hole 204a is not limited to the case where it is configured as a slit-shaped through hole, and may be configured by a plurality of holes.
  • the manifold 209 is provided with an exhaust pipe 231 for exhausting the atmosphere in the processing chamber 201.
  • a pressure sensor 245 as a pressure detector (pressure detection unit) for detecting the pressure in the processing chamber 201
  • an APC (Auto Pressure Controller) valve 243 and a vacuum pump as a vacuum exhaust device. 246 is connected.
  • the APC valve 243 can perform vacuum exhaust and vacuum exhaust stop in the processing chamber 201 by opening and closing the valve with the vacuum pump 246 operating, and further, the valve with the vacuum pump 246 operating. By adjusting the opening degree, the pressure in the processing chamber 201 can be adjusted.
  • the exhaust system is mainly composed of the exhaust hole 204a, the exhaust passage 206, the exhaust pipe 2311, the APC valve 243, and the pressure sensor 245.
  • the vacuum pump 246 may be included in the exhaust system.
  • a seal cap 219 is provided as a furnace palate body that can airtightly close the lower end opening of the manifold 209.
  • the seal cap 219 is configured to abut on the lower end of the manifold 209 from the lower side in the vertical direction.
  • the seal cap 219 is made of a metal such as SUS and is formed in a disk shape.
  • An O-ring 220b as a sealing member that comes into contact with the lower end of the manifold 209 is provided on the upper surface of the seal cap 219.
  • a rotation mechanism 267 for rotating the boat 217 accommodating the wafer 200 is installed on the opposite side of the processing chamber 201 in the seal cap 219.
  • the boat 217 as a substrate support is configured to arrange a plurality of wafers, for example, 25 to 200 wafers 200, in a horizontal posture and at intervals in the vertical direction while being centered on each other. ..
  • the boat 217 is made of a heat resistant material such as quartz or SiC.
  • a heat insulating plate 218 made of a heat-resistant material such as quartz or SiC is supported in a horizontal posture in multiple stages (not shown). With this configuration, the heat from the heater 207 is less likely to be transmitted to the seal cap 219 side.
  • this embodiment is not limited to the above-mentioned embodiment.
  • a heat insulating cylinder configured as a tubular member made of a heat-resistant material such as quartz or SiC may be provided.
  • a temperature sensor 263 as a temperature detector is installed in the inner tube 204, and the amount of electricity supplied to the heater 207 is adjusted based on the temperature information detected by the temperature sensor 263.
  • the temperature in the processing chamber 201 is configured to have a desired temperature distribution.
  • the temperature sensor 263 is L-shaped like the nozzles 410 and 420, and is provided along the inner wall of the inner tube 204.
  • the controller 121 which is a control unit (control means), is configured as a computer including a CPU (Central Processing Unit) 121a, a RAM (Random Access Memory) 121b, a storage device 121c, and an I / O port 121d.
  • the RAM 121b, the storage device 121c, and the I / O port 121d are configured so that data can be exchanged with the CPU 121a via the internal bus.
  • An input / output device 122 configured as, for example, a touch panel or the like is connected to the controller 121.
  • the RAM 121b is configured as a memory area (work area) in which programs, data, and the like read by the CPU 121a are temporarily held.
  • the I / O port 121d includes the above-mentioned MFC 312,322,512,522, valve 314,324,514,524, pressure sensor 245, APC valve 243, vacuum pump 246, heater 207, temperature sensor 263, rotation mechanism 267, and boat. It is connected to an elevator 115 or the like.
  • the CPU 121a is configured to read a control program from the storage device 121c and execute it, and to read a recipe or the like from the storage device 121c in response to an input of an operation command from the input / output device 122 or the like.
  • the CPU 121a has an operation of adjusting the flow rate of various gases by the MFC 312, 322, 512, 522, an opening / closing operation of the valves 314, 324, 514, 524, an opening / closing operation of the APC valve 243, and an APC valve 243 so as to follow the contents of the read recipe.
  • the controller 121 is stored in an external storage device (for example, a magnetic tape, a magnetic disk such as a flexible disk or a hard disk, an optical disk such as a CD or DVD, a magneto-optical disk such as MO, a semiconductor memory such as a USB memory or a memory card) 123.
  • the above-mentioned program can be configured by installing it on a computer.
  • the storage device 121c and the external storage device 123 are configured as a computer-readable recording medium. Hereinafter, these are collectively referred to simply as a recording medium.
  • the recording medium may include only the storage device 121c alone, may include only the external storage device 123 alone, or may include both of them.
  • the program may be provided to the computer by using a communication means such as the Internet or a dedicated line without using the external storage device 123.
  • Substrate processing step As one step of the manufacturing process of the semiconductor device (device), an example of a step of forming a Mo-containing film containing molybdenum (Mo) used as a control gate electrode of, for example, 3D NAND on a wafer 200. , FIG. 4, FIG. 5 (A) and FIG. 5 (B) will be described.
  • a metal-containing film containing aluminum (Al), which is a non-transition metal element is formed on the surface, and an aluminum oxide (AlO) film, which is a metal oxide film, is formed.
  • AlO aluminum oxide
  • a Mo-containing film is formed on the wafer 200 on which the AlO film is formed by the substrate processing step described later.
  • the step of forming the Mo-containing film is performed using the processing furnace 202 of the substrate processing apparatus 10 described above. In the following description, the operation of each part constituting the substrate processing device 10 is controlled by the controller 121.
  • (A) A step of accommodating the wafer 200 in the processing chamber 201 inside the processing container, and (B) A step of heating the wafer 200 to 445 ° C or higher and 505 ° C or lower, and (C) A step of supplying the metal-containing gas to the wafer 200 and (D) A step of supplying a reducing gas to the wafer 200.
  • the Mo-containing film is formed on the wafer 200 by performing (c) and (d) one or more times.
  • wafer When the word “wafer” is used in the present specification, it may mean “wafer itself” or “a laminate of a wafer and a predetermined layer, film, etc. formed on the surface thereof". be.
  • wafer surface When the term “wafer surface” is used in the present specification, it may mean “the surface of the wafer itself” or “the surface of a predetermined layer, film, etc. formed on the wafer”. be.
  • the use of the term “wafer” in the present specification is also synonymous with the use of the term “wafer”.
  • the inside of the processing chamber 201 that is, the space where the wafer 200 is present, is evacuated by the vacuum pump 246 so as to have a desired pressure (degree of vacuum).
  • the pressure in the processing chamber 201 is measured by the pressure sensor 245, and the APC valve 243 is feedback-controlled based on the measured pressure information (pressure adjustment).
  • the vacuum pump 246 is always kept in operation until at least the processing for the wafer 200 is completed.
  • the inside of the processing chamber 201 is heated by the heater 207 so as to have a desired temperature.
  • the amount of electricity supplied to the heater 207 is feedback-controlled based on the temperature information detected by the temperature sensor 263 so that the inside of the processing chamber 201 has a desired temperature distribution (temperature adjustment).
  • the temperature of the heater 207 is such that the temperature of the wafer 200 is, for example, a temperature in the range of 445 ° C. or higher and 505 ° C. or lower, preferably a temperature in the range of 445 ° C. or higher and 470 ° C. or lower. Set and do.
  • the heating in the processing chamber 201 by the heater 207 is continuously performed at least until the processing on the wafer 200 is completed.
  • Step S10 Metal-containing gas supply
  • the valve 314 is opened to allow a metal-containing gas, which is a raw material gas, to flow into the gas supply pipe 310.
  • the flow rate of the metal-containing gas is adjusted by the MFC 312, is supplied into the processing chamber 201 from the gas supply hole 410a of the nozzle 410, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the metal-containing gas is supplied to the wafer 200.
  • the valve 514 is opened to allow an inert gas such as N 2 gas to flow into the gas supply pipe 510.
  • the flow rate of the inert gas flowing in the gas supply pipe 510 is adjusted by the MFC 512, is supplied into the processing chamber 201 together with the metal-containing gas, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the valve 524 is opened and the inert gas is allowed to flow into the gas supply pipe 520.
  • the inert gas is supplied into the processing chamber 201 via the gas supply pipe 320 and the nozzle 420, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the APC valve 243 is adjusted so that the pressure in the processing chamber 201 is, for example, a pressure in the range of 1 to 3990 Pa, for example, 1000 Pa.
  • the supply flow rate of the metal-containing gas controlled by the MFC 312 is, for example, a flow rate in the range of 0.1 to 1.0 slm, preferably 0.1 to 0.5 slm.
  • the supply flow rate of the inert gas controlled by the MFC 512 and 522 is, for example, a flow rate within the range of 0.1 to 20 slm.
  • the notation of a numerical range such as "1 to 3990 Pa" in the present disclosure means that the lower limit value and the upper limit value are included in the range. Therefore, for example, "1 to 3990 Pa" means “1 Pa or more and 3990 Pa or less". The same applies to other numerical ranges.
  • the only gases flowing in the processing chamber 201 are the metal-containing gas and the inert gas.
  • the metal-containing gas a molybdenum (Mo) -containing gas containing molybdenum (Mo) and oxygen (O) can be used.
  • Mo-containing gas for example, molybdenum dichloride (MoO 2 Cl 2 ) gas and molybdenum tetrachloride (MoOCl 4 ) gas can be used.
  • MoO 2 Cl 2 molybdenum dichloride
  • MoOCl 4 molybdenum tetrachloride
  • the Mo-containing layer may be a Mo layer containing Cl or O, an adsorption layer of MoO 2 Cl 2 , or both of them.
  • the Mo-containing layer is a film containing Mo as a main component and may contain elements such as Cl, O, and H in addition to the Mo element.
  • the inside of the processing chamber 201 is purged.
  • the valves 514 and 524 are left open to maintain the supply of the inert gas into the processing chamber 201.
  • the inert gas acts as a purge gas, and can enhance the effect of removing the unreacted metal-containing gas remaining in the treatment chamber 201 or the metal-containing gas after contributing to the formation of the metal-containing layer from the treatment chamber 201.
  • Step S12 (Reduction gas supply) After removing the residual gas in the processing chamber 201, the valve 324 is opened and the reducing gas is allowed to flow in the gas supply pipe 320. The flow rate of the reducing gas is adjusted by the MFC 322, the reducing gas is supplied into the processing chamber 201 through the gas supply hole 420a of the nozzle 420, and is exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, the reducing gas is supplied to the wafer 200. At the same time, the valve 524 is opened to allow the inert gas to flow into the gas supply pipe 520. The flow rate of the inert gas flowing in the gas supply pipe 520 is adjusted by the MFC 522.
  • the inert gas is supplied into the processing chamber 201 together with the reducing gas and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the valve 514 is opened and the inert gas is allowed to flow into the gas supply pipe 510.
  • the inert gas is supplied into the processing chamber 201 via the gas supply pipe 310 and the nozzle 410, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the APC valve 243 is adjusted so that the pressure in the processing chamber 201 is, for example, a pressure in the range of 1 to 3990 Pa, for example, 2000 Pa.
  • the supply flow rate of the reducing gas controlled by the MFC 322 is, for example, a flow rate in the range of 1 to 50 slm, preferably 15 to 30 slm.
  • the supply flow rate of the inert gas controlled by the MFC 512 and 522 is, for example, a flow rate within the range of 0.1 to 30 slm.
  • the time for supplying the reducing gas to the wafer 200 is, for example, a time in the range of 0.01 to 120 seconds.
  • the only gases flowing in the processing chamber 201 are the reducing gas and the inert gas.
  • the reducing gas for example, hydrogen (H 2 ) gas, deuterium (D 2 ) gas, gas containing activated hydrogen and the like can be used.
  • H 2 gas is used as the reducing gas
  • the H 2 gas undergoes a substitution reaction with at least a part of the Mo-containing layer formed on the wafer 200 in step S10. That is, O and chlorine (Cl) in the Mo-containing layer react with H 2 and are desorbed from the Mo layer to react with water vapor (H 2 O), hydrogen chloride (HCl), chlorine (Cl 2 ) and the like. It is discharged from the processing chamber 201 as a product.
  • a metal layer (Mo layer) containing Mo and substantially free of Cl and O is formed on the wafer 200.
  • Step S13 (second purge step)] (Removal of residual gas)
  • the valve 324 is closed to stop the supply of the reducing gas.
  • the reducing gas and reaction by-products remaining in the treatment chamber 201 after contributing to the formation of the unreacted or metal layer are placed in the treatment chamber 201. Exclude from. That is, the inside of the processing chamber 201 is purged.
  • a metal having a predetermined thickness (for example, 0.5 to 20.0 nm) is placed on the wafer 200. Form a containing film.
  • the above cycle is preferably repeated multiple times. Further, each of the steps S10 to S13 may be performed at least once or more.
  • Inert gas is supplied into the processing chamber 201 from each of the gas supply pipes 510 and 520, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the inert gas acts as a purge gas, whereby the inside of the treatment chamber 201 is purged with the inert gas, and the gas and reaction by-products remaining in the treatment chamber 201 are removed from the inside of the treatment chamber 201 (after-purge).
  • the atmosphere in the processing chamber 201 is replaced with the inert gas (replacement of the inert gas), and the pressure in the treatment chamber 201 is restored to the normal pressure (return to atmospheric pressure).
  • the seal cap 219 is lowered by the boat elevator 115, and the lower end of the outer tube 203 is opened. Then, the processed wafer 200 is carried out (boat unloading) from the lower end of the outer tube 203 to the outside of the outer tube 203 in a state of being supported by the boat 217. After that, the processed wafer 200 is taken out from the boat 217 (wafer discharge).
  • the wafer 200 is heated to a temperature in the range of 445 ° C. or higher and 505 ° C. or lower, preferably in the range of 445 ° C. or higher and 470 ° C. or lower, and then contains Mo.
  • the MoO 2 Cl 2 gas which is a gas
  • the H 2 gas which is a reducing gas
  • the wafer 200 is in the range of 445 ° C. or higher and 470 ° C. or lower.
  • the average roughness Ra of the surface roughness of the Mo-containing film formed by heating to the inside temperature is 0.8 nm or less.
  • the average roughness Ra of the surface roughness of the Mo-containing film formed by heating the wafer 200 to a temperature within the range of 450 ° C. or higher and 465 ° C. or lower is 0.7 nm or less.
  • the Mo-containing film formed by heating the temperature of the wafer 200 to a temperature lower than 445 ° C. has worse surface roughness as compared with the Mo-containing film formed by heating the temperature of the wafer 200 to 450 ° C. do.
  • the Mo-containing film formed by heating the temperature of the wafer 200 to a temperature lower than 445 ° C. is a substrate in the film as compared with the Mo-containing film formed by heating the temperature of the wafer 200 to 450 ° C.
  • the diffusion of Al from the AlO membrane is increased. This is because at a temperature lower than 445 ° C., the reduction by the H 2 gas becomes incomplete, the MoO 2 Cl 2 gas is not reduced, and MoO x Cly is produced. It is considered that this MoO x Cly causes the underlying AlO film and the formed Mo-containing film to be attacked.
  • attack in the present disclosure means reduction.
  • the Mo-containing film formed by heating the temperature of the wafer 200 to a temperature higher than 505 ° C. has a worse surface roughness as compared with the Mo-containing film formed by heating the temperature of the wafer 200 to 450 ° C. ..
  • the Mo-containing film formed by heating the temperature of the wafer 200 to a temperature higher than 505 ° C. is a substrate in the film as compared with the Mo-containing film formed by heating the temperature of the wafer 200 to 450 ° C.
  • the diffusion of Al from the AlO membrane is increased. It is considered that this is because the underlying AlO film and the formed Mo-containing film are attacked by the HCl produced as a reaction by-product at a temperature higher than 505 ° C.
  • the average surface roughness is averaged.
  • a Mo-containing film having a roughness Ra of 1.0 nm or less can be formed, and the surface roughness of the Mo-containing film can be improved. That is, it is possible to improve the embedding performance of the Mo-containing film used for the control gate electrode of 3D NAND. In addition, it is possible to suppress the diffusion of Al from the underlying AlO film into the Mo-containing film.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the surface roughness (average roughness Ra) of the Mo-containing films formed in Samples 1 to 5, respectively, and the temperature of the substrate.
  • the surface of the Mo-containing film formed by heating the wafer of Sample 1 to 425 ° C and the wafer of Sample 5 are formed by heating to 550 ° C.
  • the average roughness Ra of the surface of the Mo-containing film formed is larger than 1.0 nm, and the average roughness is larger than that of the surface of the Mo-containing film formed in Sample 2, Sample 3, and Sample 4, respectively, and the surface surface is large. It was confirmed that the roughness was bad.
  • the average roughness Ra on the surface of the Mo-containing film formed by heating the wafer of No. 1 to 450 ° C. was 0.8 or less. That is, it was confirmed that the Mo-containing films formed on Sample 2, Sample 3, and Sample 4 each had a small average roughness and good surface roughness.
  • the Mo-containing film is formed so that the temperature of the heater 207 in the substrate processing step described above is within the range of 445 ° C. or higher and 505 ° C. or lower for the wafer 200. It was confirmed that the surface roughness of the Mo-containing film was improved and the average roughness Ra of the surface roughness could be 1.0 nm or less. Further, the surface roughness of the Mo-containing film is formed by forming the Mo-containing film so that the temperature of the heater 207 in the substrate processing step described above is within the range of the temperature of the wafer 200 of 445 ° C. or higher and 470 ° C. or lower.
  • the average roughness Ra of the surface roughness could be 0.8 nm or less.
  • the surface roughness of the Mo-containing film is formed by forming the Mo-containing film so that the temperature of the heater 207 in the substrate processing step described above is within the range of 450 ° C. or higher and 465 ° C. or lower.
  • the average roughness Ra of the surface roughness could be 0.7 nm or less.
  • the Mo-containing film formed in Sample 2, Sample 3, and Sample 4 is suppressed from diffusing from the underlying AlO film, and in particular, the Mo-containing film formed in Sample 2 is Sample 3 and Sample 4. It was confirmed that the diffusion from the underlying AlO film was suppressed as compared with the Mo-containing film formed in each of the above.
  • the temperature of the heater 207 in the substrate processing step described above is such that the temperature of the wafer 200 is in the range of 445 ° C. or higher and 505 ° C. or lower, preferably in the range of 445 ° C. or higher and 470 ° C. or lower. It was confirmed that the diffusion from the underlying AlO film was suppressed by forming the Mo-containing film.

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Abstract

モリブデン含有膜の表面ラフネスを改善しつつ、下地からの拡散を抑制することができる。　（ａ）基板を処理容器に収容する工程と、（ｂ）基板を４４５℃以上５０５℃以下に加熱する工程と、（ｃ）基板に対してモリブデン含有ガスを供給する工程と、（ｄ）基板に対して還元ガスを供給する工程と、を有し、（ｅ）（ｂ）の後、（ｃ）と（ｄ）とを１回以上行うことにより、基板上にモリブデン含有膜を形成する。

Description

半導体装置の製造方法、記録媒体及び基板処理装置
　本開示は、半導体装置の製造方法、記録媒体及び基板処理装置に関する。
　３次元構造を持つＮＡＮＤ型フラッシュメモリやＤＲＡＭのワードラインとして例えば低抵抗なタングステン（Ｗ）膜が用いられている。また、このＷ膜と絶縁膜との間にバリア膜として例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）膜が用いられることがある（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
特開２０１１－６６２６３号公報 国際公開第２０１９／０５８６０８号パンフレット
　しかしながら、３次元構造のＮＡＮＤ型フラッシュメモリの高層化に伴ってエッチングが困難となっているために、ワード線の薄膜化が課題となっている。
　この課題を解決するために、上述したようなＴｉＮ膜とＷ膜を用いる代わりに、モリブデン（Ｍｏ）を含有したモリブデン（Ｍｏ）膜を用いて、薄膜化と低抵抗化を図っているが、Ｍｏ膜は、膜の表面の粗さ（表面ラフネス）が大きく、Ｍｏ膜の埋め込み性能を向上させることが課題となっている。また、下地金属膜上にＭｏ膜を形成すると、膜中に下地金属膜から金属元素が拡散してしまう場合がある。
　本開示は、モリブデン含有膜の表面ラフネスを改善しつつ、下地からの拡散を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。
　本開示の一態様によれば、
　（ａ）基板を処理容器に収容する工程と、
　（ｂ）前記基板を４４５℃以上５０５℃以下に加熱する工程と、
　（ｃ）前記基板に対してモリブデン含有ガスを供給する工程と、
　（ｄ）前記基板に対して還元ガスを供給する工程と、を有し、
　（ｅ）（ｂ）の後、（ｃ）と（ｄ）とを１回以上行うことにより、前記基板上にモリブデン含有膜を形成する
　技術が提供される。
　本開示によれば、モリブデン含有膜の表面ラフネスを改善しつつ、下地からの拡散を抑制することができる。
本開示の一実施形態における基板処理装置の縦型処理炉の概略を示す縦断面図である。 図１におけるＡ－Ａ線概略横断面図である。 本開示の一実施形態における基板処理装置のコントローラの概略構成図であり、コントローラの制御系をブロック図で示す図である。 本開示の一実施形態における基板処理工程を示す図である。 図５（Ａ）は、基板上にＭｏ含有膜を形成する前の基板の断面を示す図であり、図５（Ｂ）は、基板上にＭｏ含有膜を形成した後の基板の断面を示す図である。 サンプル１～サンプル５にそれぞれ形成されたＭｏ含有膜の平均粗さ（Ｒａ）と基板の温度との関係を示した図である。
　以下、図１～５を参照しながら説明する。なお、以下の説明において用いられる図面は、いずれも模式的なものであり、図面に示される、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。
（１）基板処理装置の構成
　基板処理装置１０は、加熱手段（加熱機構、加熱系）としてのヒータ２０７が設けられた処理炉２０２を備える。ヒータ２０７は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース（図示せず）に支持されることにより垂直に据え付けられている。
　ヒータ２０７の内側には、ヒータ２０７と同心円状に反応容器（処理容器）を構成するアウタチューブ２０３が配設されている。アウタチューブ２０３は、例えば石英（ＳｉＯ2）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの耐熱性材料で構成され、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。アウタチューブ２０３の下方には、アウタチューブ２０３と同心円状に、マニホールド（インレットフランジ）２０９が配設されている。マニホールド２０９は、例えばステンレス（ＳＵＳ）などの金属で構成され、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド２０９の上端部と、アウタチューブ２０３との間には、シール部材としてのＯリング２２０ａが設けられている。マニホールド２０９がヒータベースに支持されることにより、アウタチューブ２０３は垂直に据え付けられた状態となる。
　アウタチューブ２０３の内側には、反応容器を構成するインナチューブ２０４が配設されている。インナチューブ２０４は、例えば石英（ＳｉＯ2）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの耐熱性材料で構成され、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。主に、アウタチューブ２０３と、インナチューブ２０４と、マニホールド２０９とにより処理容器（反応容器）が構成されている。処理容器の筒中空部（インナチューブ２０４の内側）には処理室２０１が形成されている。
　処理室２０１は、基板としてのウエハ２００を後述するボート２１７によって水平姿勢で鉛直方向に多段に配列した状態で収容可能に構成されている。
　処理室２０１内には、ノズル４１０，４２０がマニホールド２０９の側壁及びインナチューブ２０４を貫通するように設けられている。ノズル４１０，４２０には、ガス供給管３１０，３２０が、それぞれ接続されている。ただし、本実施形態の処理炉２０２は上述の形態に限定されない。
　ガス供給管３１０，３２０には上流側から順に流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３１２，３２２がそれぞれ設けられている。また、ガス供給管３１０，３２０には、開閉弁であるバルブ３１４，３２４がそれぞれ設けられている。ガス供給管３１０，３２０のバルブ３１４，３２４の下流側には、不活性ガスを供給するガス供給管５１０，５２０がそれぞれ接続されている。ガス供給管５１０，５２０には、上流側から順に、流量制御器（流量制御部）であるＭＦＣ５１２，５２２及び開閉弁であるバルブ５１４，５２４がそれぞれ設けられている。
　ガス供給管３１０，３２０の先端部にはノズル４１０，４２０がそれぞれ連結接続されている。ノズル４１０，４２０は、Ｌ字型のノズルとして構成されており、その水平部はマニホールド２０９の側壁及びインナチューブ２０４を貫通するように設けられている。ノズル４１０，４２０の垂直部は、インナチューブ２０４の径方向外向きに突出し、かつ鉛直方向に延在するように形成されているチャンネル形状（溝形状）の予備室２０１ａの内部に設けられており、予備室２０１ａ内にてインナチューブ２０４の内壁に沿って上方（ウエハ２００の配列方向上方）に向かって設けられている。
　ノズル４１０，４２０は、処理室２０１の下部領域から処理室２０１の上部領域まで延在するように設けられており、ウエハ２００と対向する位置にそれぞれ複数のガス供給孔４１０ａ，４２０ａが設けられている。これにより、ノズル４１０，４２０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａからそれぞれウエハ２００に処理ガスを供給する。このガス供給孔４１０ａ，４２０ａは、インナチューブ２０４の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同一の開口ピッチで設けられている。ただし、ガス供給孔４１０ａ，４２０ａは上述の形態に限定されない。例えば、インナチューブ２０４の下部から上部に向かって開口面積を徐々に大きくしてもよい。これにより、ガス供給孔４１０ａ，４２０ａから供給されるガスの流量をより均一化することが可能となる。
　ノズル４１０，４２０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａは、後述するボート２１７の下部から上部までの高さの位置に複数設けられている。そのため、ノズル４１０，４２０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａから処理室２０１内に供給された処理ガスは、ボート２１７の下部から上部までに収容されたウエハ２００の全域に供給される。ノズル４１０，４２０は、処理室２０１の下部領域から上部領域まで延在するように設けられていればよいが、ボート２１７の天井付近まで延在するように設けられていることが好ましい。
　ガス供給管３１０からは、処理ガスとして、原料ガスが、ＭＦＣ３１２、バルブ３１４、ノズル４１０を介して処理室２０１内に供給される。
　ガス供給管３２０からは、処理ガスとして、還元ガスが、ＭＦＣ３２２、バルブ３２４、ノズル４２０を介して処理室２０１内に供給される。
　ガス供給管５１０，５２０からは、不活性ガスとして、例えば窒素（Ｎ2）ガスが、それぞれＭＦＣ５１２，５２２、バルブ５１４，５２４、ノズル４１０，４２０を介して処理室２０１内に供給される。以下、不活性ガスとしてＮ2ガスを用いる例について説明するが、不活性ガスとしては、Ｎ2ガス以外に、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等の希ガスを用いてもよい。
　主に、ガス供給管３１０，３２０、ＭＦＣ３１２，３２２、バルブ３１４，３２４、ノズル４１０，４２０により処理ガス供給系が構成されるが、ノズル４１０，４２０のみを処理ガス供給系と考えてもよい。処理ガス供給系は単にガス供給系と称してもよい。ガス供給管３１０からＭｏ含有ガスを流す場合、主に、ガス供給管３１０、ＭＦＣ３１２、バルブ３１４によりＭｏ含有ガス供給系が構成されるが、ノズル４１０をＭｏ含有ガス供給系に含めて考えてもよい。また、ガス供給管３２０から還元ガスを流す場合、主に、ガス供給管３２０、ＭＦＣ３２２、バルブ３２４により還元ガス供給系が構成されるが、ノズル４２０を還元ガス供給系に含めて考えてもよい。また、主に、ガス供給管５１０，５２０、ＭＦＣ５１２，５２２、バルブ５１４，５２４により不活性ガス供給系が構成される。
　本実施形態におけるガス供給の方法は、インナチューブ２０４の内壁と、複数枚のウエハ２００の端部とで定義される円環状の縦長の空間内の予備室２０１ａ内に配置したノズル４１０，４２０を経由してガスを搬送している。そして、ノズル４１０，４２０のウエハと対向する位置に設けられた複数のガス供給孔４１０ａ，４２０ａからインナチューブ２０４内にガスを噴出させている。より詳細には、ノズル４１０のガス供給孔４１０ａ、ノズル４２０のガス供給孔４２０ａにより、ウエハ２００の表面と平行方向に向かって処理ガス等を噴出させている。
　排気孔（排気口）２０４ａは、インナチューブ２０４の側壁であってノズル４１０，４２０に対向した位置に形成された貫通孔であり、例えば、鉛直方向に細長く開設されたスリット状の貫通孔である。ノズル４１０，４２０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａから処理室２０１内に供給され、ウエハ２００の表面上を流れたガスは、排気孔２０４ａを介してインナチューブ２０４とアウタチューブ２０３との間に形成された隙間で構成された排気路２０６内に流れる。そして、排気路２０６内へと流れたガスは、排気管２３１内に流れ、処理炉２０２外へと排出される。
　排気孔２０４ａは、複数のウエハ２００と対向する位置に設けられており、ガス供給孔４１０ａ，４２０ａから処理室２０１内のウエハ２００の近傍に供給されたガスは、水平方向に向かって流れた後、排気孔２０４ａを介して排気路２０６内へと流れる。排気孔２０４ａはスリット状の貫通孔として構成される場合に限らず、複数個の孔により構成されていてもよい。
　マニホールド２０９には、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気管２３１が設けられている。排気管２３１には、上流側から順に、処理室２０１内の圧力を検出する圧力検出器（圧力検出部）としての圧力センサ２４５，ＡＰＣ（Ａｕｔｏ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２４３，真空排気装置としての真空ポンプ２４６が接続されている。ＡＰＣバルブ２４３は、真空ポンプ２４６を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室２０１内の真空排気及び真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ２４６を作動させた状態で弁開度を調節することで、処理室２０１内の圧力を調整することができる。主に、排気孔２０４ａ，排気路２０６，排気管２３１，ＡＰＣバルブ２４３及び圧力センサ２４５により、排気系が構成される。真空ポンプ２４６を排気系に含めて考えてもよい。
　マニホールド２０９の下方には、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。シールキャップ２１９は、マニホールド２０９の下端に鉛直方向下側から当接されるように構成されている。シールキャップ２１９は、例えばＳＵＳ等の金属で構成され、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面には、マニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０ｂが設けられている。シールキャップ２１９における処理室２０１の反対側には、ウエハ２００を収容するボート２１７を回転させる回転機構２６７が設置されている。回転機構２６７の回転軸２５５は、シールキャップ２１９を貫通してボート２１７に接続されている。回転機構２６７は、ボート２１７を回転させることでウエハ２００を回転させるように構成されている。シールキャップ２１９は、アウタチューブ２０３の外部に垂直に設置された昇降機構としてのボートエレベータ１１５によって鉛直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ１１５は、シールキャップ２１９を昇降させることで、ボート２１７を処理室２０１内外に搬入及び搬出することが可能なように構成されている。ボートエレベータ１１５は、ボート２１７及びボート２１７に収容されたウエハ２００を、処理室２０１内外に搬送する搬送装置（搬送系）として構成されている。
　基板支持具としてのボート２１７は、複数枚、例えば２５～２００枚のウエハ２００を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で鉛直方向に間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート２１７は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料で構成される。ボート２１７の下部には、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料で構成される断熱板２１８が水平姿勢で多段（図示せず）に支持されている。この構成により、ヒータ２０７からの熱がシールキャップ２１９側に伝わりにくくなっている。ただし、本実施形態は上述の形態に限定されない。例えば、ボート２１７の下部に断熱板２１８を設けずに、石英やＳｉＣ等の耐熱性材料で構成される筒状の部材として構成された断熱筒を設けてもよい。
　図２に示すように、インナチューブ２０４内には温度検出器としての温度センサ２６３が設置されており、温度センサ２６３により検出された温度情報に基づきヒータ２０７への通電量を調整することで、処理室２０１内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。温度センサ２６３は、ノズル４１０，４２０と同様にＬ字型に構成されており、インナチューブ２０４の内壁に沿って設けられている。
　図３に示すように、制御部（制御手段）であるコントローラ１２１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１２１ａ，ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）１２１ｂ，記憶装置１２１ｃ，Ｉ／Ｏポート１２１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ１２１ｂ，記憶装置１２１ｃ，Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、内部バスを介して、ＣＰＵ１２１ａとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ１２１には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置１２２が接続されている。
　記憶装置１２１ｃは、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶装置１２１ｃ内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラム、後述する半導体装置の製造方法の手順や条件などが記載されたプロセスレシピなどが、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する半導体装置の製造方法における各工程（各ステップ）をコントローラ１２１に実行させ、所定の結果を得ることができるように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプロセスレシピ、制御プログラム等を総称して、単に、プログラムともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、プロセスレシピ及び制御プログラムの組み合わせを含む場合がある。ＲＡＭ１２１ｂは、ＣＰＵ１２１ａによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。
　Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、上述のＭＦＣ３１２，３２２，５１２，５２２、バルブ３１４，３２４，５１４，５２４、圧力センサ２４５、ＡＰＣバルブ２４３、真空ポンプ２４６、ヒータ２０７、温度センサ２６３、回転機構２６７、ボートエレベータ１１５等に接続されている。
　ＣＰＵ１２１ａは、記憶装置１２１ｃから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置１２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置１２１ｃからレシピ等を読み出すように構成されている。ＣＰＵ１２１ａは、読み出したレシピの内容に沿うように、ＭＦＣ３１２，３２２，５１２，５２２による各種ガスの流量調整動作、バルブ３１４，３２４，５１４，５２４の開閉動作、ＡＰＣバルブ２４３の開閉動作及びＡＰＣバルブ２４３による圧力センサ２４５に基づく圧力調整動作、温度センサ２６３に基づくヒータ２０７の温度調整動作、真空ポンプ２４６の起動及び停止、回転機構２６７によるボート２１７の回転及び回転速度調節動作、ボートエレベータ１１５によるボート２１７の昇降動作、ボート２１７へのウエハ２００の収容動作等を制御するように構成されている。
　コントローラ１２１は、外部記憶装置（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ）１２３に格納された上述のプログラムを、コンピュータにインストールすることにより構成することができる。記憶装置１２１ｃや外部記憶装置１２３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。本明細書において記録媒体は、記憶装置１２１ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置１２３単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置１２３を用いず、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。
（２）基板処理工程
　半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、ウエハ２００上に、例えば３ＤＮＡＮＤのコントロールゲート電極として用いられるモリブデン（Ｍｏ）を含有するＭｏ含有膜を形成する工程の一例について、図４、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を用いて説明する。ここでは、図５（Ａ）に示すように、表面に、非遷移金属元素であるアルミニウム（Ａｌ）が含まれた金属含有膜であり、金属酸化膜である酸化アルミニウム（ＡｌＯ）膜が形成されたウエハ２００を用いる。そして、後述する基板処理工程により、図５（Ｂ）に示すように、ＡｌＯ膜が形成されたウエハ２００上にＭｏ含有膜を形成する。Ｍｏ含有膜を形成する工程は、上述した基板処理装置１０の処理炉２０２を用いて実行される。以下の説明において、基板処理装置１０を構成する各部の動作はコントローラ１２１により制御される。
　本実施形態による基板処理工程（半導体装置の製造工程）では、
　（ａ）ウエハ２００を処理容器内である処理室２０１に収容する工程と、
　（ｂ）ウエハ２００を４４５℃以上５０５℃以下に加熱する工程と、
　（ｃ）ウエハ２００に対して金属含有ガスを供給する工程と、
　（ｄ）ウエハ２００に対して還元ガスを供給する工程と、を有し、
　（ｅ）（ｂ）の後、（ｃ）と（ｄ）とを１回以上行うことにより、ウエハ２００上にＭｏ含有膜を形成する。
　本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのもの」を意味する場合や、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体」を意味する場合がある。本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのものの表面」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面」を意味する場合がある。本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同義である。
（ウエハ搬入）
　複数枚のウエハ２００がボート２１７に装填（ウエハチャージ）されると、図１に示されているように、複数枚のウエハ２００を支持したボート２１７は、ボートエレベータ１１５によって持ち上げられて、処理室２０１内に搬入（ボートロード）され、処理容器に収容される。この状態で、シールキャップ２１９はＯリング２２０を介してアウタチューブ２０３の下端開口を閉塞した状態となる。
（圧力調整および温度調整）
　処理室２０１内、すなわち、ウエハ２００が存在する空間が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力情報に基づき、ＡＰＣバルブ２４３がフィードバック制御される（圧力調整）。真空ポンプ２４６は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。
　また、処理室２０１内が所望の温度となるようにヒータ２０７によって加熱される。この際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように、温度センサ２６３が検出した温度情報に基づきヒータ２０７への通電量がフィードバック制御される（温度調整）。以下において、ヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が、例えば４４５℃以上５０５℃以下の範囲内の温度であって、好ましくは４４５℃以上４７０℃以下の範囲内の温度となるような温度に設定して行う。また、ヒータ２０７による処理室２０１内の加熱は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。
［ステップＳ１０］
（金属含有ガス供給）
　バルブ３１４を開き、ガス供給管３１０内に原料ガスである金属含有ガスを流す。金属含有ガスは、ＭＦＣ３１２により流量調整され、ノズル４１０のガス供給孔４１０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ウエハ２００に対して金属含有ガスが供給される。このとき同時にバルブ５１４を開き、ガス供給管５１０内にＮ2ガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管５１０内を流れた不活性ガスは、ＭＦＣ５１２により流量調整され、金属含有ガスと一緒に処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ノズル４２０内への金属含有ガスの侵入を防止するために、バルブ５２４を開き、ガス供給管５２０内に不活性ガスを流す。不活性ガスは、ガス供給管３２０、ノズル４２０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
　このときＡＰＣバルブ２４３を調整して、処理室２０１内の圧力を、例えば１～３９９０Ｐａの範囲内の圧力であって、例えば１０００Ｐａとする。ＭＦＣ３１２で制御する金属含有ガスの供給流量は、例えば０．１～１．０ｓｌｍ、好ましくは０．１～０．５ｓｌｍの範囲内の流量とする。ＭＦＣ５１２，５２２で制御する不活性ガスの供給流量は、それぞれ例えば０．１～２０ｓｌｍの範囲内の流量とする。なお、本開示における「１～３９９０Ｐａ」のような数値範囲の表記は、下限値および上限値がその範囲に含まれることを意味する。よって、例えば、「１～３９９０Ｐａ」とは「１Ｐａ以上３９９０Ｐａ以下」を意味する。他の数値範囲についても同様である。
　このとき処理室２０１内に流しているガスは金属含有ガスと不活性ガスのみである。ここで金属含有ガスとしては、モリブデン（Ｍｏ）と酸素（Ｏ）を含むモリブデン（Ｍｏ）含有ガスを用いることができる。Ｍｏ含有ガスとしては、例えば二酸化二塩化モリブデン（ＭｏＯ2Ｃｌ2）ガス、四塩化酸化モリブデン（ＭｏＯＣｌ4）ガスを用いることができる。金属含有ガスの供給により、ウエハ２００（表面の下地膜であるＡｌＯ膜）上に金属含有層が形成される。ここで、金属含有ガスとして、ＭｏＯ2Ｃｌ2ガスを用いた場合、金属含有層はＭｏ含有層である。Ｍｏ含有層は、ＣｌやＯを含むＭｏ層であってもよいし、ＭｏＯ2Ｃｌ2の吸着層であってもよいし、それらの両方を含んでいてもよい。また、Ｍｏ含有層は、Ｍｏを主成分とする膜であり、Ｍｏ元素の他にＣｌ，Ｏ，Ｈ等の元素を含み得る膜である。
［ステップＳ１１（第１パージ工程）］
（残留ガス除去）
　金属含有ガスの供給を開始してから所定時間経過後であって例えば０．０１～１０秒後に、ガス供給管３１０のバルブ３１４を閉じて、金属含有ガスの供給を停止する。つまり、金属含有ガスをウエハ２００に対して供給する時間は、例えば０．０１～１０秒の範囲内の時間とする。このとき排気管２３１のＡＰＣバルブ２４３は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは金属含有層形成に寄与した後の金属含有ガスを処理室２０１内から排除する。すなわち、処理室２０１内をパージする。このときバルブ５１４，５２４は開いたままとして、不活性ガスの処理室２０１内への供給を維持する。不活性ガスはパージガスとして作用し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは金属含有層形成に寄与した後の金属含有ガスを処理室２０１内から排除する効果を高めることができる。
［ステップＳ１２］
（還元ガス供給）
　処理室２０１内の残留ガスを除去した後、バルブ３２４を開き、ガス供給管３２０内に、還元ガスを流す。還元ガスは、ＭＦＣ３２２により流量調整され、ノズル４２０のガス供給孔４２０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このときウエハ２００に対して、還元ガスが供給される。このとき同時にバルブ５２４を開き、ガス供給管５２０内に不活性ガスを流す。ガス供給管５２０内を流れた不活性ガスは、ＭＦＣ５２２により流量調整される。不活性ガスは還元ガスと一緒に処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ノズル４１０内への還元ガスの侵入を防止するために、バルブ５１４を開き、ガス供給管５１０内に不活性ガスを流す。不活性ガスは、ガス供給管３１０、ノズル４１０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
　このときＡＰＣバルブ２４３を調整して、処理室２０１内の圧力を、例えば１～３９９０Ｐａの範囲内の圧力であって、例えば２０００Ｐａとする。ＭＦＣ３２２で制御する還元ガスの供給流量は、例えば１～５０ｓｌｍ、好ましくは１５～３０ｓｌｍの範囲内の流量とする。ＭＦＣ５１２，５２２で制御する不活性ガスの供給流量は、それぞれ例えば０．１～３０ｓｌｍの範囲内の流量とする。還元ガスをウエハ２００に対して供給する時間は、例えば０．０１～１２０秒の範囲内の時間とする。
　このとき処理室２０１内に流しているガスは、還元ガスと不活性ガスのみである。ここで、還元ガスとしては、例えば水素（Ｈ2）ガス、重水素（Ｄ2）ガス、活性化した水素を含むガス等を用いることができる。還元ガスとしてＨ2ガスを用いた場合、Ｈ2ガスは、ステップＳ１０でウエハ２００上に形成されたＭｏ含有層の少なくとも一部と置換反応する。すなわち、Ｍｏ含有層中のＯや塩素（Ｃｌ）が、Ｈ2と反応し、Ｍｏ層から脱離して、水蒸気（Ｈ2Ｏ）や塩化水素（ＨＣｌ）や塩素（Ｃｌ2）等の反応副生成物として処理室２０１内から排出される。そして、ウエハ２００上にＭｏを含みＣｌとＯを実質的に含まない金属層（Ｍｏ層）が形成される。
［ステップＳ１３（第２パージ工程）］
（残留ガス除去）
　金属層を形成した後、バルブ３２４を閉じて、還元ガスの供給を停止する。
　そして、上述したステップＳ１１（第１パージ工程）と同様の処理手順により、処理室２０１内に残留する未反応もしくは金属層の形成に寄与した後の還元ガスや反応副生成物を処理室２０１内から排除する。すなわち、処理室２０１内をパージする。
（所定回数実施）
　上記したステップＳ１０～ステップＳ１３の工程を順に行うサイクルを１回以上（所定回数（ｎ回））行うことにより、ウエハ２００上に、所定の厚さ（例えば０．５～２０．０ｎｍ）の金属含有膜を形成する。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。また、ステップＳ１０～ステップＳ１３の工程をそれぞれ少なくとも１回以上行ってもよい。
（アフターパージおよび大気圧復帰）
　ガス供給管５１０，５２０のそれぞれから不活性ガスを処理室２０１内へ供給し、排気管２３１から排気する。不活性ガスはパージガスとして作用し、これにより処理室２０１内が不活性ガスでパージされ、処理室２０１内に残留するガスや反応副生成物が処理室２０１内から除去される（アフターパージ）。その後、処理室２０１内の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される（大気圧復帰）。
（ウエハ搬出）
　その後、ボートエレベータ１１５によりシールキャップ２１９が下降されて、アウタチューブ２０３の下端が開口される。そして、処理済ウエハ２００がボート２１７に支持された状態でアウタチューブ２０３の下端からアウタチューブ２０３の外部に搬出（ボートアンロード）される。その後、処理済のウエハ２００は、ボート２１７より取り出される（ウエハディスチャージ）。
　上述したように本開示における基板処理工程では、ウエハ２００を４４５℃以上５０５℃以下の範囲内の温度であって、好ましくは４４５℃以上４７０℃以下の範囲内の温度に加熱した後、Ｍｏ含有ガスであるＭｏＯ2Ｃｌ2ガスの供給と、還元ガスであるＨ2ガスの供給と、を少なくとも１回以上行うことにより、表面にＡｌＯ膜が形成されているウエハ２００上に、所定の厚さのＭｏ含有膜を形成している。ウエハ２００を４４５℃以上５０５℃以下の範囲内の温度に加熱して形成されたＭｏ含有膜の表面ラフネスの平均粗さＲａは１．０ｎｍ以下となり、ウエハ２００を４４５℃以上４７０℃以下の範囲内の温度に加熱して形成されたＭｏ含有膜の表面ラフネスの平均粗さＲａは０．８ｎｍ以下となる。更に、ウエハ２００を４５０℃以上４６５℃以下の範囲内の温度に加熱して形成されたＭｏ含有膜の表面ラフネスの平均粗さＲａは、０．７ｎｍ以下となる。
　ここで、ウエハ２００の温度を４４５℃より低い温度で加熱して形成されたＭｏ含有膜は、ウエハ２００の温度を４５０℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜と比較して表面ラフネスが悪化する。また、ウエハ２００の温度を４４５℃より低い温度で加熱して形成されたＭｏ含有膜は、ウエハ２００の温度を４５０℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜と比較して膜中への下地のＡｌＯ膜からのＡｌの拡散が増加する。これは、４４５℃より低い温度では、Ｈ2ガスによる還元が不完全なものとなり、ＭｏＯ2Ｃｌ2ガスが還元されず、ＭｏＯxＣｌyが生成される。このＭｏＯxＣｌyにより、下地のＡｌＯ膜や形成されたＭｏ含有膜がアタックされてしまうためであると考えられる。ここで本開示における「アタック」とは還元を意味する。
　また、ウエハ２００の温度を５０５℃より高い温度で加熱して形成されたＭｏ含有膜は、ウエハ２００の温度を４５０℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜と比較して表面ラフネスは悪化する。また、ウエハ２００の温度を５０５℃より高い温度で加熱して形成されたＭｏ含有膜は、ウエハ２００の温度を４５０℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜と比較して膜中への下地のＡｌＯ膜からのＡｌの拡散が増加する。これは、５０５℃より高い温度では、反応副生成物として生成されたＨＣｌにより下地のＡｌＯ膜や形成されたＭｏ含有膜がアタックされてしまうためであると考えられる。
　すなわち、ウエハ２００を４４５℃以上５０５℃以下の範囲内の温度であって、好ましくは４４５℃以上４７０℃以下の範囲内の温度に設定してＭｏ含有膜を形成することにより、表面ラフネスの平均粗さＲａが１．０ｎｍ以下のＭｏ含有膜を形成することができ、Ｍｏ含有膜の表面ラフネスを改善させることができる。つまり、３ＤＮＡＮＤのコントロールゲート電極に用いられるＭｏ含有膜の埋め込み性能を向上させることができる。また、Ｍｏ含有膜中への下地ＡｌＯ膜からのＡｌの拡散を抑制することができる。
（３）本実施形態による効果
　本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果を得ることができる。
（ａ）Ｍｏ含有膜の表面ラフネスを改善することができる。
（ｂ）平坦性を有するＭｏ含有膜を形成することができ、被覆率を向上させることができる。すなわち、３ＤＮＡＮＤのコントロールゲート電極に用いられるＭｏ含有膜の埋め込み性能を向上させることができる。
（ｃ）膜中への下地金属膜からの金属元素の拡散を抑制することができる。
（ｄ）高密度なＭｏ膜を形成することが可能となり、生産性が向上される。
（４）他の実施形態
　以上、本開示の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
　なお、上記実施形態では、Ｍｏ含有ガスとしてＭｏＯ2Ｃｌ2ガスを用いる場合を例にして説明したが、本開示はこれに限定されるものではない。
　また、上記実施形態では、還元ガスとしてＨ2ガスを用いる場合を例にして説明したが、本開示はこれに限定されるものではない。
　また、上記実施形態では、一度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型装置である基板処理装置を用いて成膜する例について説明したが、本開示はこれに限定されず、一度に１枚または数枚の基板を処理する枚葉式の基板処理装置を用いて成膜する場合にも、好適に適用できる。
　以下、実施例について説明するが、本開示はこれらの実施例により限定されるものではない。
（５）実施例
　上述した基板処理装置１０を用いて、表面にＡｌＯ膜が形成されたウエハ２００のサンプル１～サンプル５を用意した。そして、サンプル１～サンプル５に対して、それぞれ上述した基板処理工程におけるヒータ２０７の温度を、ウエハ２００の温度が４２５℃、４５０℃、４７５℃、５００℃、５５０℃となるように加熱して上述したステップＳ１０～ステップＳ１３を所定回数行って、表面にＡｌＯ膜が形成されたウエハ上にＭｏ含有膜を形成した。
　先ず、サンプル１～サンプル５に形成されたＭｏ含有膜の表面を、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、略称：ＡＦＭ）を用いて観測した。図６は、サンプル１～サンプル５にそれぞれ形成されたＭｏ含有膜の表面ラフネス（平均粗さＲａ）と基板の温度との関係を示した図である。
　サンプル１～サンプル５におけるＭｏ含有膜の表面の評価結果によれば、サンプル１のウエハを４２５℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜の表面とサンプル５のウエハを５５０℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜の表面の平均粗さＲａは１．０ｎｍより大きくなり、サンプル２、サンプル３、サンプル４にそれぞれ形成されたＭｏ含有膜の表面と比較して、平均粗さが大きく、表面ラフネスが悪いことが確認された。
　また、サンプル２、サンプル３、サンプル４のウエハを、それぞれ４５０℃、４７５℃、５００℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜の表面の平均粗さＲａは１．０ｎｍ以下となり、さらにサンプル２のウエハを４５０℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜の表面の平均粗さＲａは０．８以下となった。すなわち、サンプル２、サンプル３、サンプル４にそれぞれ形成されたＭｏ含有膜は、平均粗さが小さく、表面ラフネスが良好であることが確認された。
　すなわち、図６に示すように、上述した基板処理工程におけるヒータ２０７の温度を、ウエハ２００の温度が４４５℃以上５０５℃以下の範囲内の温度となるようにＭｏ含有膜を形成することにより、Ｍｏ含有膜の表面ラフネスが改善され、表面ラフネスの平均粗さＲａを１．０ｎｍ以下とすることができることが確認された。さらには、上述した基板処理工程におけるヒータ２０７の温度を、ウエハ２００の温度が４４５℃以上４７０℃以下の範囲内の温度となるようにＭｏ含有膜を形成することにより、Ｍｏ含有膜の表面ラフネスがさらに改善され、表面ラフネスの平均粗さＲａを０．８ｎｍ以下とすることができることが確認された。さらには、上述した基板処理工程におけるヒータ２０７の温度を、ウエハ２００の温度が４５０℃以上４６５℃以下の範囲内の温度となるようにＭｏ含有膜を形成することにより、Ｍｏ含有膜の表面ラフネスがさらに改善され、表面ラフネスの平均粗さＲａを０．７ｎｍ以下とすることができることが確認された。
　次に、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、略称：ＳＩＭＳ）を用いて、サンプル１～サンプル５にそれぞれ形成されたＭｏ含有膜中に含まれる各元素の深さ方向の分布を分析した。
　サンプル１のウエハを４２５℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜と、サンプル５のウエハを５５０℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜は、膜中の表面付近までＡｌが拡散され、Ｍｏの吸着を阻害するＣｌやＯも存在していることが確認された。
　また、サンプル２、サンプル３、サンプル４にそれぞれ形成されたＭｏ含有膜は、下地のＡｌＯ膜からの拡散が抑制されており、特にサンプル２に形成されたＭｏ含有膜は、サンプル３、サンプル４にそれぞれ形成されたＭｏ含有膜と比較して、下地のＡｌＯ膜からの拡散が抑制されていることが確認された。
　サンプル２のウエハを４５０℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜は、下地のＡｌＯ膜との界面から約２．５ｎｍまでＡｌが拡散されていることが確認された。また、サンプル３のウエハを４７５℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜は、下地のＡｌＯ膜との界面から約３ｎｍまでＡｌが拡散されていることが確認された。また、サンプル４のウエハを５００℃に加熱して形成されたＭｏ含有膜は、下地のＡｌＯ膜との界面から約５ｎｍまでＡｌが拡散されていることが確認された。すなわち、基板処理工程におけるウエハの温度を調整することにより、Ｍｏ含有膜中の下地ＡｌＯ膜からのＡｌの拡散を抑制できることが確認された。
　また、サンプル２、サンプル３、サンプル４にそれぞれ形成されたＭｏ含有膜中のＯ濃度とＣｌ濃度は、同等であり、４５０℃～５００℃の温度にでは変化されないことが確認された。
　すなわち、上述した基板処理工程におけるヒータ２０７の温度を、ウエハ２００の温度が４４５℃以上５０５℃以下の範囲内の温度であって、好ましくは４４５℃以上４７０℃以下の範囲内の温度となるようにＭｏ含有膜を形成することにより、下地のＡｌＯ膜からの拡散が抑制されることが確認された。
１０　基板処理装置
１２１　コントローラ
２００　ウエハ（基板）
２０１　処理室

Claims (16)

  1. 　（ａ）基板を処理容器に収容する工程と、
    　（ｂ）前記基板を４４５℃以上５０５℃以下に加熱する工程と、
    　（ｃ）前記基板に対してモリブデン含有ガスを供給する工程と、
    　（ｄ）前記基板に対して還元ガスを供給する工程と、を有し、
    　（ｅ）（ｂ）の後、（ｃ）と（ｄ）とを１回以上行うことにより、前記基板上にモリブデン含有膜を形成する半導体装置の製造方法。
  2. 　前記基板の表面には、金属含有膜が形成されている請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 　前記金属含有膜は、金属酸化膜である請求項２記載の半導体装置の製造方法。
  4. 　前記金属は、非遷移金属である請求項２又は３記載の半導体装置の製造方法。
  5. 　前記金属は、アルミニウムである請求項２から４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 　前記金属含有膜は、酸化アルミニウム膜である請求項２から５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 　前記モリブデン含有ガスは、モリブデンと酸素を含むガスである請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 　前記モリブデン含有ガスは、モリブデンと酸素と塩素を含むガスである請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 　前記モリブデン含有ガスは、二酸化二塩化モリブデンガスである請求項７又は８記載の半導体装置の製造方法。
  10. 　（ｂ）では、前記基板の温度を４４５℃以上４７０℃以下に加熱する請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 　（ｂ）では、前記基板の温度を４５０℃以上４６５℃以下に加熱する請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 　（ｅ）は、膜表面の平均粗さが、１．０ｎｍ以下の前記モリブデン含有膜を形成する請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 　（ｅ）は、膜表面の平均粗さが、０．８ｎｍ以下の前記モリブデン含有膜を形成する請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
  14. 　（ｅ）は、膜表面の平均粗さが、０．７ｎｍ以下の前記モリブデン含有膜を形成する請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
  15. 　（ａ）基板処理装置の処理容器に基板を収容する手順と、
    　（ｂ）前記基板を４４５℃以上５０５℃以下に加熱する手順と、
    　（ｃ）前記基板に対してモリブデン含有ガスを供給する手順と、
    　（ｄ）前記基板に対して還元ガスを供給する手順と、を有し、
    　（ｅ）（ｂ）の後、（ｃ）と（ｄ）とを１回以上行うことにより、前記基板上にモリブデン含有膜を形成する処理をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  16. 　処理容器と、
    　前記処理容器内に基板を搬送する搬送系と、
    　前記処理容器内を加熱する加熱系と、
    　前記処理容器内にモリブデン含有ガスを供給するモリブデン含有ガス供給系と、
    　前記処理容器内に還元ガスを供給する還元ガス供給系と、
    　前記処理容器内を排気する排気系と、
    　（ａ）前記基板を前記処理容器に収容する処理と、
    　（ｂ）前記基板を４４５℃以上５０５℃以下に加熱する処理と、
    　（ｃ）前記基板に対して前記モリブデン含有ガスを供給する処理と、
    　（ｄ）前記基板に対して前記還元ガスを供給する処理と、を有し、
    　（ｅ）（ｂ）の後、（ｃ）と（ｄ）とを１回以上行うことにより、前記基板上にモリブデン含有膜を形成する処理を行わせるように、前記搬送系、前記加熱系、前記モリブデン含有ガス供給系、前記還元ガス供給系及び前記排気系を制御することが可能なように構成される制御部と、
    　を有する基板処理装置。
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